Mbalik ing taun 1887, fisikawan Skotlandia William Thomson ngusulake model geometris struktur eter, sing mesthine minangka medium sing nyebar kabeh, getaran sing nuduhake awake dhewe minangka gelombang elektromagnetik, kalebu cahya. Senadyan kegagalan lengkap teori eter, model geometris tetep ana, lan ing taun 1993, Denis Ware lan Robert Phelan ngusulake model struktur sing luwih maju sing bisa ngisi ruang sabisa-bisa. Wiwit iku, model iki wis dadi kapentingan umume kanggo matématikawan utawa seniman, nanging riset anyar wis ditampilake sing bisa dadi basis saka teknologi mangsa sing nggunakake cahya tinimbang listrik. Apa iku umpluk Ware-Phelan, apa ndadekake ora biasa, lan carane bisa digunakake kanggo nyekel cahya? Kita bakal nemokake jawaban kanggo pitakonan kasebut lan pitakonan liyane ing laporan kelompok riset. Tindak.
Basis riset
Secara harfiah satus taun kepungkur ing komunitas ilmiah ana teori sing menarik banget babagan perkara tartamtu babagan kabeh sing ana ing sekitar. Teori iki dituju kanggo njlentrehake sifat gelombang elektromagnetik. Dipercaya manawa eter ngubengi kabeh lan minangka sumber gelombang kasebut. Panemuan ilmiah sing ngetutake teori eter ngrusak kabeh.
William Thomson
Nanging, ing taun 1887, nalika téyori eter kebak kekuatan lan popularitas, akeh ilmuwan nyatakake gagasan-gagasan babagan carane eter bisa ngisi kabeh ruang. William Thomson, uga dikenal minangka Lord Kelvin, ora ana sing istiméwa. Dheweke nggoleki struktur sing bisa ngebaki papan kanthi sampurna supaya ora ana wilayah kosong. Panelusuran iki banjur diarani masalah Kelvin.
Conto primitif: mbayangno kothak sing isine kaleng cola. Antarane wong-wong mau, amarga wangun silinder, void muncul, i.e. papan sing ora dienggo.
Thomson, saliyane percaya yen Bumi ora luwih saka 40 yuta taun, ngusulake struktur geometris anyar, sing ditambahake dening Denis Ware lan Robert Phelan, minangka asil saka jenenge.
Struktur Ware-Phelan adhedhasar honeycomb sing ngiseni spasi karo polyhedra disjoint, ora ninggalake papan kosong. Honeycomb, sing biasane kita anggep minangka heksagon amarga honeycomb, sejatine ana macem-macem wujud. Ana kubik, oktahedral, tetrahedral, rombik dodecahedral, lsp.
Struktur Ware-Phelan
Sing ora biasa babagan honeycombs Ware-Phelan yaiku kalebu macem-macem wujud lan unsur geometris. Ing inti, iku umpluk becik saka gelembung ukuran padha.
Leluhur umpluk iki yaiku sing diusulake dening Lord Kelvin, sing wis kenal karo kita. Nanging, versi kasebut kalebu honeycombs kubik sing disingkat. Struktur Kelvin minangka honeycomb seragam cembung sing dibentuk dening octahedron sing dipotong, yaiku polyhedron (tetradecahedron) rai papat, kanthi 6 rai persegi lan 8 rai hex.
Opsi iki kanggo ngoptimalake ngisi ruang dianggep becik nganti meh satus taun, nganti Ware lan Phelan mbukak strukture ing taun 1993.
Pentagondodecahedron lan decahedron
Bentenane utama antarane honeycomb Ware-Phelan lan leluhure yaiku nggunakake rong jinis unsur konstituen, sing, nanging volume sing padha: pentagondodecahedron (dodecahedron kanthi simetri tetrahedral) lan XNUMXhedron kanthi simetri rotasi.
Ing karya sing lagi dipikirake saiki, para ilmuwan saka Universitas Princeton mutusake nggunakake busa Ware-Phelan ing fotonik. Kaping pisanan, perlu kanggo ngerteni manawa busa kasebut duwe celah pita fotonik (PBG), sing ngalangi panyebaran cahya ing kabeh arah lan kanggo kabeh polarisasi ing sawetara frekuensi.
Ing panalitene, para ilmuwan nuduhake yen jaringan fotonik 16,9D adhedhasar busa Ware-Phelan ndadékaké PBG sing signifikan (XNUMX%) kanthi tingkat dhuwur. isotropi*, sing minangka properti penting kanggo sirkuit fotonik.
Isotropi* - sifat fisik sing padha ing kabeh arah.
Kelvin umpluk lan umpluk C15 uga nindakake uga ing syarat-syarat PBG, nanging padha rodok olo kanggo struktur Ware-Phelan ing gati.
Panaliten sing padha wis ditindakake sadurunge, nanging fokus ing busa garing rong dimensi. Banjur ditemokake yen umpluk garing amorf rong dimensi nuduhake PBG mung kanggo polarisasi listrik transversal. Masalahe yaiku ana rong polarisasi ing busa XNUMXD.
Senadyan kesulitan potensial, umpluk 30D bisa dianggep minangka materi sing njanjeni ing bidang fotonik, miturut peneliti. Ana alesan kanggo iki: Hukum Plateau mesthekake yen pinggiran mbentuk simpul tetrahedral eksklusif. Lan iki minangka tambahan gedhe kanggo jaringan fotonik. Conto sing nggumunake yaiku berlian kanthi PBG XNUMX%.
Busa kasebut nduweni sifat tetrahedral saka koordinat kisi berlian, nanging beda-beda amarga nduweni pinggiran sing mlengkung lan dawa ikatan sing rada ora padha. Iku tetep mung kanggo mangerteni carane lan sepira bedane beda kasebut mengaruhi sifat fotonik.
Yen iga saka umpluk garing 17D digawe luwih kenthel, iku bisa kanggo nggawe jaringan fotonik (gambar ngisor) sing nuduhake PBGs photonic pocapan nganti XNUMX%, iso dibandhingke utawa luwih saka conto khas saka kristal photonic poto-ngrakit.
Gambar #1: Jaringan busa fotonik dipikolehi kanthi ngencengi pinggiran struktur Ware-Phelan (kiwa), struktur Kelvin (tengah) lan busa C15 (tengen).
Kanggo ngleksanakake model kasebut ing praktik, busa garing kudu dikristal dhisik banjur dilapisi bahan dielektrik. Alami, PBG busa bakal luwih murah tinimbang kristal fotonik, nanging kerugian iki bisa diatasi kanthi sawetara kaluwihan. Kaping pisanan, organisasi umpluk bisa ngidini produksi sampel gedhe kanthi cepet. Kapindho, heterostruktur busa fotonik, adhedhasar riset sadurunge, bisa uga duwe aplikasi sing luwih akeh.
Asil riset
Kaping pisanan, perlu nyinaoni busa garing, sing ditetepake minangka minimal lokal saka wilayah antarmuka tessellation* tundhuk watesan volume, supaya geometri final manut hukum Plateau.
Teselasi* - mbagi pesawat dadi bagean komponen sing nutupi kabeh bidang tanpa ninggalake celah.
Kanggo mbangun busa Ware-Phelan, Kelvin, lan C15, para ilmuwan miwiti kanthi teselasi Voronoi bobot kanggo kristal BCC, A15, utawa C15.
Diagram Voronoi
Parameter kasebut dipilih kanthi cara supaya kabeh sel pamisahan nduweni volume sing padha.
Jaringan sing dibentuk saka sudhut mlengkung saka busa lan saka pinggir tessellation lurus saka leluhure ditliti. Kanggo ngevaluasi topologi kabeh jinis busa, statistik ring*.
Statistik dering (statistik dering)*Analisis karakteristik topologi bahan jaringan (cairan, sistem kristal utawa amorf) asring adhedhasar teori grafik nggunakake node kanggo atom lan ikatan kanggo sambungan interatomik. Ora ana utawa orane sambungan antarane rong simpul ditemtokake kanthi nganalisa fungsi distribusi radial lengkap lan parsial sistem kasebut. Ing materi jaringan, urutan node lan pranala sing disambungake kanthi seri tanpa tumpang tindih diarani path. Sawise definisi iki, dering mung minangka dalan sing ditutup. Yen sampeyan nliti simpul jaringan tartamtu kanthi teliti, sampeyan bisa ndeleng manawa simpul iki bisa melu ing pirang-pirang dering. Saben dering kasebut ditondoi kanthi dimensi dhewe lan bisa diklasifikasikake adhedhasar hubungan antarane simpul lan tautan sing nggawe.
Cara pisanan kanggo nemtokake dering diwenehi dening Shirley W. King. Kanggo nyinaoni konektivitas kaca SiO2, dheweke nemtokake dering minangka jalur paling cedhak antarane loro tetanggan sing paling cedhak saka simpul tartamtu.
Ing kasus studi sing ditliti, petungan digawe saka jumlah dering paling cendhak saben vertex ing sel unit.
Siji sel ing model Kelvin nduweni 2 kothak lan 4 hexagons saben vertex, nanging TCP (tetrahedral close-packed) umpluk mung pentagonal lan heksagonal pasuryan (rata-rata: 5.2 lan 0.78 ing umpluk Ware-Phelan; 5.3 lan 0.71 ing umpluk C15). Teselasi Voronoi A15 lan C15 minangka struktur TCP kanthi jumlah pinggiran paling gedhe lan paling cilik (f) saben 1 sel. Dadi, struktur Ware-Phelan nduweni jumlah pasuryan paling akeh (f = 13 + 1/2), lan C15 minangka nomer paling cilik saka pasuryan (f = 13 + 1/3).
Sawise ngrampungake persiapan teoritis, para ilmuwan wiwit nggawe model jaringan fotonik adhedhasar iga umpluk garing, yaiku. jaringan busa-foton. Ditemokake yen ing nilai PBG 20% kinerja sistem maksimal, nanging ing 15% busa Ware-Phelan dadi ora stabil. Mulane, para ilmuwan ora nganggep umpluk udan, ing ngendi wates-wates Plateau duwe salib tricuspid. Nanging, fokus ana ing struktur busa garing, ing ngendi para ilmuwan bisa nambah kekandelan iga.
Kajaba iku, saben pinggiran minangka sumbu medial saka spherocylinder (kapsul), ing ngendi radius minangka parameter tuning.
Peneliti ngelingake yen jaringan busa kasebut dudu busa ing pangertèn harfiah, nanging kanggo kesederhanaan laporan kasebut bakal diarani "busa" utawa "jaringan busa."
Sajrone simulasi, parameter kasebut dianggep ɛ (kontras dielektrik) - proporsi konstanta dielektrik bahan kanthi nilai insulasi dhuwur lan kurang. Kontras dielektrik dianggep antarane 13 lan 1, sing umum digunakake ing literatur minangka standar nalika mbandhingake kinerja desain materi fotonik sing beda.
Kanggo saben jaringan, radius pinggiran (spherocylinders) dioptimalake kanggo rasio maksimum celah pita lan tengah: ∆ω/ωm, ngendi ∆ω punika jembaré band frekuensi, lan ωm - frekuensi ing zona.
Gambar #2: Struktur zonal fotonik busa Ware-Phelan (abang), busa Kelvin (biru), lan busa C15 (ijo).
Sabanjure, ukuran PBG diukur lan ditemokake: 7.7% kanggo busa Kelvin, 13.0% kanggo busa C15 lan 16.9% kanggo busa Ware-Phelan. Minimisasi area nambah ukuran PBG kanthi 0.7%, 0.3 utawa 1.3%.
Minangka dadi cetha saka analisis, jaringan TCP duwe ukuran PBG luwih gedhe tinimbang jaringan Kelvin. Saka rong jaringan TCP, umpluk Ware-Phelan nduweni ukuran celah pita paling gedhe, sing bisa uga amarga owah-owahan dawa link sing luwih cilik. Ilmuwan pracaya sing beda ing dawa jaminan bisa dadi alesan utama kok ing sistem sing, i.e. ing umpluk Ware-Phelan, PBG kurang saka ing mirah (31.6%) utawa ing sistem Laves (28.3%).
Aspek sing padha penting ing fotonik yaiku isotropi PBG, sing ngidini nggawe pandu gelombang kanthi bentuk sing sewenang-wenang. Quasicrystals fotonik, uga jaringan fotonik amorf, luwih isotropik tinimbang kristal fotonik klasik.
Struktur busa-fotonik sing diteliti uga nduweni tingkat isotropi sing dhuwur. Ing ngisor iki rumus kanggo nemtokake koefisien anisotropi (yaiku, derajat prabédan ing sifat lingkungan tartamtu) PBG (А):
A: = (√ Var[ωHDB]+Var[ωLAB]) / ωm
Busa C15 ditemokake nduweni anisotropi paling murah (1.0%), banjur busa Weir-Phelan (1.2%). Akibaté, struktur kasebut isotropik banget.
Nanging struktur Kelvin nuduhake koefisien anisotropi 3.5%, sing cukup cedhak karo sistem Laves (3.4%) lan berlian (4.2%). Nanging, sanajan indikator kasebut ora paling awon, amarga ana uga sistem kubik sing prasaja kanthi koefisien anisotropi 8.8% lan jaringan berlian heksagonal kanthi 9.7%.
Ing laku, nalika perlu kanggo entuk nilai PBG maksimum, kadhangkala perlu kanggo ngganti paramèter fisik tartamtu saka struktur. Ing kasus iki, parameter iki radius saka spherocylinders. Para ilmuwan nindakake pitungan matematika sing nemtokake hubungan antarane celah pita fotonik lan jembaré minangka fungsi. ɛ. Kanggo saben nilai sing dipikolehi, radius dioptimalake kanggo maksimalake ∆ω/ωm.
Gambar No. 3: perbandingan ∆ω / ωm saka jaringan busa sing ditliti (C15, Kelvin, Weir-Phelan) lan struktur liyane (berlian, berlian heksagonal, Laves, SC - kubik biasa).
Busa Weir-Phelan njaga ukuran PBG sing bisa ditampa saka 8% nganti kontras dielektrik ɛ≈9, lan radius tambah kanggo entuk nilai PBG maksimal 15%. PBG ilang nalika ɛ < 6.5. Kaya sing dikarepake, struktur berlian nduweni PBG paling gedhe ing antarane kabeh struktur sing ditliti.
Kanggo kenalan sing luwih rinci karo nuansa sinau, aku nyaranake ndeleng и kanggo dheweke.
Epilogue
Motivasi utama kanggo nindakake panliten iki yaiku kepinginan kanggo njawab pitakonan apa jaringan busa bisa nduduhake PBG sing lengkap. Ngonversi pinggiran struktur busa garing dadi jaringan fotonik wis nuduhake yen bisa.
Ing wayahe, umpluk ora struktur utamané sinau. Mesthine, ana studi sing menehi asil sing apik babagan jaringan amorf, nanging ditindakake ing obyek sing cilik banget. Kepiye sistem bakal tumindak nalika ukurane mundhak ora jelas.
Miturut penulis sinau, karyane mbukak akeh kemungkinan kanggo panemuan ing mangsa ngarep. Foam banget umum ing alam lan gampang digawe, nggawe struktur iki atraktif banget kanggo aplikasi praktis.
Para ilmuwan nyebut Internet minangka salah sawijining aplikasi riset sing paling ambisius. Minangka peneliti piyambak ngandika, ngirim data liwat serat optik ora anyar, nanging cahya isih diowahi dadi listrik ing panggonan. Bahan celah pita fotonik bisa ngarahake cahya luwih tepat tinimbang kabel serat optik konvensional lan bisa dadi transistor optik sing nindakake petungan nggunakake cahya.
Ora ketompo carane muluk rencana, isih akeh sing kudu ditindakake. Nanging, kerumitan nindakake riset utawa kerumitan ngleksanakake eksperimen ora bisa ngatasi semangat para ilmuwan lan kepinginan kanggo ningkatake jagad teknologi.
Matur nuwun kanggo nonton, tetep penasaran lan duwe akhir minggu sing apik kabeh! 🙂
Matur nuwun kanggo tetep karo kita. Apa sampeyan seneng karo artikel kita? Pengin ndeleng konten sing luwih menarik? Ndhukung kita kanthi nggawe pesenan utawa menehi rekomendasi menyang kanca, , Diskon 30% kanggo pangguna Habr ing analog unik saka server level entri, sing diciptakake kanggo sampeyan: (kasedhiya karo RAID1 lan RAID10, munggah 24 intine lan nganti 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kaping luwih murah? Mung kene ing Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - saka $99! Maca babagan
Source: www.habr.com